测试技术基础教学课件PPT测试信号的转换与调理.ppt

北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 测试技术基础 测试技术基础 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 第十三章 测试信号的转换与调理 信号的调制与解调 信号的滤波 本章内容： 测试技术基础 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 信号调理的目的是便于信号的传输与处理。 信号调理的目的 1）传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送 到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大， 有的还要进行阻抗变换。 2）有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要 去掉噪声，提高信噪比。 3）某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感 器测量信号进行调制解调处理。 前言 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 13.1 调制与解调 1 目的 解决微弱缓变信号放大以及信号传输问题 。 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去， 然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输 出信号中提取出放大后的缓变信号。 例：交流电桥 vin r1 r4 r2r3 v 13.1 调制与解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 调制：利用某种信号来控制或改变另一信号(高频的 正、余弦或方波)的某个参数(幅值、频率或相位)的过程 。可分为调幅、调频和调相。 调制波：调制中的控制信号(低频信号) 载波：载送低频信号的高频信号(正、余弦或方波) 已调制波：经调制所得的高频信号(调幅波、调频波 和调相波) 解调：从已调制波中恢复出原有低频调制信号的过程 2 基本概念 13.1 调制与解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 3 种类 调制信号 x(t) 0 t 载波信号 z(t) 0t 13.1 调制与解调 根据载波受调制参数不同，可分为三类。 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 a) 幅度调制(am) b) 频率调制(fm) c) 相位调制(pm) 13.1 调制与解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 调幅是将一个高频正弦信号(或称载波)与测试信号 相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。 缓变信号 调制 高频信号 放大 放大高频 信号 解调 放大缓变 信号 4 幅值调制 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 幅度调制与解调过程(波形分析) 乘法器 放大器 x(t) z(t) y(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 -1 0 1 4 幅值调制 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 幅度调制与解调过程(频谱分析) 乘法器 放大器 x(t) z(t) y(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 4 幅值调制 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 幅度调制与解调过程（数学分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) y(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 4 幅值调制 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 解调方法之一：同步解调 解调时，所乘信号必须保证其频率和相位与原载波信 号相同，故称同步解调。 -505 -1 0 1 -505 -1 0 1 -505 -1 0 1 -505 -1 0 1 -505 -1 0 1 5 幅值解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 解调方法之二：整流检波 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量d，使 偏置后的信号都具有正电压。 调幅之前 5 幅值解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 解调 二极管检波 低通滤波 调幅 5 幅值解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 相敏检波是利用交变信号在过零位时正、负极 性发生突变，使调幅波相位（与载波信号比较）也 相应地产生180相位跳变，从而既反映原信号的幅 值又反映其相位。 特点: (1) 可以鉴别调制信号的极性； (2) 不必对调制信号加直流偏置。 解调方法之三：相敏检波 5 幅值解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 解调：相敏检波 (e) 滤波后波形 (d) 相敏检波后波形 (b) 载波 (c) 放大后调幅波 (a) 调制信号 ex r(t) e0 e01 e02=kr(t) 5 幅值解调 典型相敏检波电路 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 (a) 过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必 须足够大，否则x(t)的相位将发生180变化。 y(t) t 0 x(t) t 0 6 幅值调制的失真 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 (b) 重叠失真：当载波频率f 0 小于被测信号最高频 率f m 时，调幅波频谱将出现频率重叠 要求： f 0f m y( f ) -f0f00 6 幅值调制的失真 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 动态电阻应变仪 电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量( 力、应变等，相当于调制波)通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输 出为调幅波，放大后，经相敏检波与低通滤波，提取出被测信号。 7 幅值调制与解调的应用 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 8 频率调制与解调 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率。 因此，调频波是一种等幅波，但其疏密度（ 即频率）随信号x(t)的幅值变化而变化。 13.1 调制与解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 锯齿波调频正弦波调频 8 频率调制与解调 13.1 调制与解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 鉴频： 变压器耦合的谐振回路鉴频 第一步： 先将等幅调频波转换为幅值随频率变化的调频 调幅波; 调频波的解调称为鉴频或频率检波 第二步： 检测幅值的变化，得到原调制信号。 8 频率调制与解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 鉴频： 8 频率调制与解调 回路输入为等幅调频波，当频率偏离谐振频率时，输出幅值随之下降。通 常在谐振回路特性曲线的亚谐振接近直线段进行频率电压变换。 频率与 相同，幅度受 频率变化而变化。 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求 带宽的20倍；频率调制是一种非线性调制，调频系统 较之调幅系统更为复杂。 调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非 振幅之中，而外界干扰主要影响信号的幅值。 缺点：占频带宽度大，复杂 8 频率调制与解调 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 滤波器是一种选频装置，可以使 信号中特定频率成分通过，而极 大地衰减其它频率成分。 13.2 滤波 krohn-hite 滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 1 滤波器分类（根据滤波器选频作用） 低通 高通 13.2 滤波 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 带通 带阻 1 滤波器分类（根据滤波器选频作用） 13.2 滤波 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 2 滤波器的串/并联 低通滤波器和高通滤波器是两种最基本的滤波器形 式，其它滤波器可看做为这两种滤波器的组合。 低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器 低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器 13.2 滤波 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 3 理想滤波器 理想滤波器指能使通带内信号的幅值和相位都 不失真，阻带内频率成分都衰减为零的滤波器。 13.2 滤波 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 理想滤波器的物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 为 函数。脉冲响应的波形沿横坐标向左、右无限延伸。 3 理想滤波器 给理想滤波器一个脉冲激励，在 时刻单位脉 冲输入滤波器之前，滤波器就已有响应了。故物理不 可实现。 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 理想滤波器的单位阶跃响应 滤波器阶跃响应的建立时间和带宽成反比。 通带越宽，衰减的高频分量越少，信号能量更多 、更快地通过，因此建立时间越短。 滤波器的带宽表示它的频率分辩能力。通带窄， 则分辨力高滤波器的高分辩能力与测量时的快速 响应要求相矛盾。 3 理想滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 4 实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中 通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。 0 f a 13.2滤波 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 1) 截止频率 ： 所对应的频率。 2) 纹波幅度 ：绕幅频特性均值 波动值 3) 带宽 和品质因数 ：上下两截止频率间的范围 称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。 4 实际滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 4) 倍频程选择性w 在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值 ，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 倍频程衰减量以db/oct表示(octave，倍频程)。衰 减越快(即w值越大)，滤波器的选择性越好。 4 实际滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 5 恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤 波器中心频率与带宽之间的关系，可分为两种。 13.2 滤波 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 1) 恒带宽带通滤波器 中心频率为上下截止频率的算术平均值。 5 恒带宽、恒带宽比滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 2) 恒带宽比带通滤波器 中心频率为上下截止频率的几何平均值。 带宽与中心频率的比值称相对宽度。 5 恒带宽、恒带宽比滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 倍频程滤波器 5 恒带宽、恒带宽比滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 6 滤波电路 (1) 无源滤波器 由无源器件（r、l、c）构成的滤 波器。 带载能力差，当负载变化时，其放大倍数和通带截止 频率均发生变化，往往不能满足信号处理的要求。 (2) 有源滤波器 由有源器件（三极管、场效应管、集成运放）构成的 滤波器。 广泛采用带有深度负反馈的集成运放。由于集成运放 具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出 和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性 好或频率特性有特殊要求的滤波器。 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 在测试系统中信号频率相对不高，常用rc滤波器。 rc滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能 ，并且可选用标准阻容元件。 1) 一阶rc低通滤波器 6 滤波电路 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 6 滤波电路 1) 一阶rc低通滤波器 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 2) 一阶rc高通滤波器 6 滤波电路 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 3) rc带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 6 滤波电路 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 一阶有源低通滤波器 带载或不带载时都有： 6 滤波电路 北京工业大学机电学院 胥 永 刚 胥 永 刚 胥永刚制 7 滤波器的应用 超门限报警 案例：旅游索道钢缆检测 13.2 滤波